Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Хелфанд Дэвид

Теперь электрон на 2s-подуровне Водорода находится в «возбужденном» состоянии. Электрон – частица в какой-то мере простая, и это состояние у него длится недолго. Если оставить его в покое, то в среднем через 0,125 секунды он снова перескакивает обратно в основное состояние, на 1s-подуровень. Этот соскок производит энергию, и появляется возможность унести ее в форме фотона с энергией 10,2 эВ – возбужденный атом может создать свет. Кроме того, это свет с очень специфической энергией, уникальной для разделения энергетических уровней в атоме каждого вида, и это позволяет нам распознавать атомы Водорода, Гелия и Углерода по всей Вселенной.

Альтернативный путь для снятия возбуждения – столкновение. В плотной среде атом может сотни раз в секунду подвергаться ударам со стороны своих соседей, а любой случайный удар способен вбить электрон обратно в основное состояние. В этом случае по-прежнему следует учитывать те самые 10,2 эВ энергии: она переходит в нанесшую удар частицу, благодаря чему происходит сверхупругое столкновение, в котором отлетающая частица обретает энергию, забрав ее у электрона.

У атома Водорода много уровней (в принципе, их количество бесконечно), и каждый отделен от других точно определенным количеством энергии. Переходы вверх и вниз между каждой парой уровней возможны (хотя некоторые более вероятны, нежели другие, и продолжительность существования на каждом возбужденном уровне чрезвычайно различается), поэтому энергий, при обладании которыми фотоны и соударяющиеся частицы могут создать условия, вызывающие перескок электрона, очень много, и они весьма разнообразны.

В более сложных атомах с большим количеством электронов допускается еще больше переходов. Внутренние уровни атомов с высоким атомным номером, таких как Уран, имеют очень прочные связи, поскольку каждый из десятков протонов в ядре привлекает ближайшие электроны, вследствие чего энергии связи превышают значения в тысячи электронвольт. Самые внешние электроны у большинства атомов удерживаются, в некоторой степени, столь же прочно, как электрон в атоме Водорода, поскольку для электрона, расположенного дальше всего от центра, любой атом в каком-то смысле подобен Водороду – каждый из электронов, находящихся ближе к ядру, нейтрализует один положительный заряд, так что одинокий внешний электрон эффективно воздействует лишь на один такой заряд. Например, в атоме Урана самые близкие к ядру электроны обладают энергией связи 115 000 эВ, а у самого дальнего от ядра (расположенного на 6d-уровне) энергия связи составляет 16,8 эВ – она лишь на 24 % больше, чем у единственного электрона в атоме Водорода.

Энергия связи ядра

В главе 3 мы говорили о том, как в атомном ядре, где проявляются все четыре фундаментальные силы, притяжение, рожденное сильным ядерным взаимодействием, преодолевает электростатическое отталкивание положительно заряженных протонов, втиснутых в тесное пространство, создавая тем самым сердце атома. Стабильность атомного ядра можно определить, если измерить интенсивность этой притягивающей силы, обусловленной сильным взаимодействием, вычесть отталкивающую электрическую силу и найти чистую энергию, с которой частицы притягиваются друг к другу, – энергию связи ядра. Она представляет собой то количество энергии, которое потребовалось бы вам, чтобы разорвать все протоны и нейтроны и пустить их по ветру. Точно так же, если учесть, что энергия преобразуется из одной формы в другую, энергия связи ядра показывает то количество энергии, которое выделяется, когда частицы объединяются, чтобы сформировать ядро. Это аналогично энергии связи электронов, описанной выше, но из-за интенсивности сильного ядерного взаимодействия, а также из-за того, что ядро занимает намного меньшее пространство, энергии связи ядра намного больше – вместо диапазона от 1 до 100 000 эВ, которые мы наблюдали у электронов, энергия связи ядра колеблется от 1 млн до 9 млн эВ для каждой ядерной частицы. Общая энергия связи ядра Углерода, имеющего шесть протонов и шесть нейтронов, составляет 92,1 миллиона электронвольт (МэВ), в то время как шесть его электронов обладают общей энергией связи в 632 эВ – разница в энергии между гуляющей по двору курицей, которую я чуть раньше привел в пример, и мотоциклом «Харлей-Дэвидсон», мчащимся со скоростью 120 км/ч.

Более того, электронвольт – невеликая единица измерения энергии, так что в масштабах, к которым привыкли люди, даже 92 миллиона – это немного. Но атомы тоже невелики, и если добавить энергию связи ядра в атомы Углерода в чешуйке графита, она будет соответствовать энергии пассажирского поезда с шестью вагонами, который весит 680 тонн и несется вперед со скоростью в 130 км/ч! Именно поэтому ядерные превращения – независимо от того, происходят ли они на атомной электростанции или в бомбе, – настолько мощнее химических реакций, в которых взаимодействие каждого атома с его ближайшим окружением производит примерно в 10 000 000 раз меньше энергии.

Энергию связи любого ядра можно рассчитать, просто взвесив его (или, выражаясь более точно, измерив его массу). Можно было бы подумать, что такое измерение даже не понадобится, поскольку нам известно число протонов и нейтронов в каждом ядре, поэтому мы могли бы просто сложить сумму масс составляющих частиц и вычислить итоговую. Но, как показал нам Альберт Эйнштейн, масса – это просто иная форма энергии, и вся эта энергия, связывающая ядро воедино, должна откуда-то поступать. На самом деле это «откуда-то» и есть масса: E = ?mc², где E – это энергия связи ядра, ?m – разница между суммой масс составляющих частиц и массой самого ядра, а c – скорость света.

Мы произвольно выбрали атом Углерода, чтобы определить единицу атомной массы (разумно названную «атомной единицей массы» и получившую аббревиатуру а. е. м.). Выстроив шкалу таким образом, чтобы атом Углерода обладал массой в 12 а. е. м., мы можем провести расчеты, подобные тем, что приведены в рамке 4.3, и найти энергию связи ядра Углерода. Определив сумму составляющих атома, мы увидим, что общая масса превышает 12 а. е. м. на 0,8 %. Впрочем, когда мы соединяем все составляющие, эта избыточная масса выделяется в форме энергии – мы подробнее обсудим это в главе 16. Именно поэтому сияют звезды. Обратив массу в энергию при помощи уравнения Эйнштейна, мы получим 92,1 миллиона электронвольт энергии связи для атома Углерода – сверхскоростной пассажирский экспресс в чешуйке графита.

На шкале, где масса Углерода составляет 12 а. е. м., отдельный протон имеет массу 1,00728 а. е. м., а нейтрон – массу 1,00867 а. е. м. Так, шесть протонов обладают массой

6 x 1,00728 а. е. м. = 6,04368 а. е. м. приходится на протоны,

и шесть нейтронов лишь немногим тяжелее

6 x 1,00867 а. е. м. = 6,05202 а. е. м. приходится на нейтроны.

Но нам нельзя забывать об электронах. Их масса очень мала, но она не нулевая и составляет 9,1 x 10^–31 кг для каждого электрона, так что шесть электронов добавляют

6 x 0,000548 а. е. м. = 0,00329 а. е. м.,

и тем самым общая масса частиц, составляющих атом, равна 12,0989 а. е. м.

Если мы вычтем из этого числа 12,000 и произведем преобразование в единицы энергии, то получим

0,0989 а. е. м. x 1,66054 x x 10^–27 кг/а. е. м. x (2,99792 x 10⁸ м/с)² = 1,476 x x 10^–11 Дж/1,6022 x 10^–13 Дж/МэВ = 92,1 Мэ В.

Энергия химической связи

Заключительная тема, требующая нашего внимания в этой главе, касается понимания процесса, благодаря которому формируются молекулы. Путем исключения можно со всей очевидностью установить, что атомы связываются в молекулы благодаря электромагнитной силе – гравитация чрезвычайно слаба, чтобы играть важную роль на атомном масштабе, а два других взаимодействия, сильное ядерное и слабое ядерное, не проявляются за пределами ядра. И все же как взаимодействующие электроны – все отрицательно заряженные и тем самым взаимно отталкивающие друг друга – образуют прочные связи между атомами?

Разгадка кроется в эффективном распределении электронных волн вокруг ядра, а также в стремлении атомов к симметрии, которая рождается благодаря заполненным электронным оболочкам. Хороший пример – атомы Водорода и Кислорода в воде. Каждый атом Водорода, имеющий лишь один электрон, был бы гораздо счастливее, если бы его 1s-подуровень был бы либо заполнен (с двумя электронами), либо пуст (без электронов). Атом Кислорода имеет конфигурацию 1s²2s²2p⁴ и хотел бы заполнить два своих оставшихся свободных места на 2p-подуровне. Так совершаются браки на атомных небесах. Каждый из атомов Водорода может поделиться своим электроном с атомом Кислорода, так что его 2p-подуровень оказывается более заполненным. Тем временем, когда электроны в большей степени сосредотачиваются вокруг атома Кислорода, он приобретает, в среднем, слегка отрицательный заряд, тогда как оба атома Водорода становятся слегка положительно заряженными. А положительные и отрицательные заряды притягиваются (см. рис. 3.5).